FR2896012A1 - ANTI-WEAR DEVICE FOR A TURNBUCKLE COMPRESSOR VARIABLE SETTING ANGLE VANTING GUIDE PIVOT - Google Patents

ANTI-WEAR DEVICE FOR A TURNBUCKLE COMPRESSOR VARIABLE SETTING ANGLE VANTING GUIDE PIVOT Download PDF

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Abstract

L'invention concerne une aube à angle de calage variable pour compresseur de turbomachine, comportant une douille (18) montée de façon rotative autour d'un pivot de guidage (8) de l'aube destiné à être monté sur un carter (22) de la turbomachine, le contact rotatif entre la douille (18) et le pivot de guidage (8) étant du type nickel graphite / titane.The invention relates to a variable pitch angle blade for a turbomachine compressor, comprising a bushing (18) rotatably mounted around a blade guide pivot (8) intended to be mounted on a housing (22). of the turbomachine, the rotary contact between the sleeve (18) and the guide pin (8) being of the nickel graphite / titanium type.

Description

Titre de l'invention Dispositif anti-usure pour pivot de guidage d'aube àTitle of the Invention Anti-wear device for blade guide pin

angle de calage variable de compresseur de turbomachine Arrière-plan de l'invention La présente invention se rapporte au domaine général des aubes à angle de calage variable. Elle trouve une application particulière dans le domaine de l'aéronautique, notamment pour la commande des positions angulaires d'aubes directrices d'entrée d'air dans des compresseurs de turbomachines. Dans une turbomachine, le compresseur haute-pression se compose typiquement de plusieurs étages d'aubes à angle de calage variable qui permettent de modifier les caractéristiques d'écoulement des gaz selon les régimes de fonctionnement de la turbomachine.  BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to the general field of blades with variable pitch angle. It finds a particular application in the field of aeronautics, in particular for the control of the angular positions of air inlet guide vanes in turbomachine compressors. In a turbomachine, the high-pressure compressor typically consists of several stages of blades variable pitch angle that can change the flow characteristics of the gas according to the operating conditions of the turbomachine.

Les aubes à angle de calage variable d'un même étage comportent chacune un pivot de commande en tête et un pivot de guidage en pied, le pivot de commande traversant une enveloppe de stator de la turbomachine et coopérant avec un organe de commande de l'orientation des aubes, et le pivot de guidage étant mobile en rotation dans une douille logée dans un évidement d'un anneau intérieur du carter de la turbomachine. A partir d'une action sur l'organe de commande, il est ainsi possible de modifier l'orientation des aubes de l'étage concerné. Les aubes à angle de calage variable sont ainsi positionnées avec un seul degré de liberté par rotation de leur pivot de guidage dans la douille. Les douilles doivent donc transmettre à l'anneau intérieur du carter les efforts qui s'exercent sur l'aube et permettre le frottement avec le pivot de guidage de l'aube, c'est-à-dire qu'elles doivent offrir à la fois un faible coefficient de frottement et une forte résistance à l'usure. Afin de satisfaire à ces exigences, il est connu, lorsque les pivots de guidage des aubes à angle de calage variable sont en acier, de réaliser les douilles dans un matériau à base de graphite. Or, dans les turbomachines modernes, les aubes à angle de calage variable sont soumises à de fortes contraintes mécaniques ce qui entraîne une usure prématurée de leur pivot de guidage. Les aubes doivent alors être remplacées après seulement quelques milliers d'heures de fonctionnement ce qui devient inacceptable en terme de coût.  The variable pitch angle blades of the same stage each comprise a control pivot head and a guide pivot foot, the control pivot passing through a stator envelope of the turbine engine and cooperating with a control member of the orientation of the blades, and the guide pin being movable in rotation in a sleeve housed in a recess of an inner ring of the casing of the turbomachine. From an action on the control member, it is thus possible to change the orientation of the blades of the stage concerned. The blades variable pitch angle are thus positioned with a single degree of freedom by rotating their guide pin in the sleeve. The bushings must therefore transmit to the inner ring of the housing the forces exerted on the blade and allow friction with the guide pivot of the blade, that is to say that they must offer the times a low coefficient of friction and a high resistance to wear. In order to meet these requirements, it is known, when the guide pins of the variable pitch angle blades are made of steel, to make the sleeves in a graphite-based material. However, in modern turbomachines, blades variable pitch angle are subjected to high mechanical stress which causes premature wear of their guide pin. The blades must then be replaced after only a few thousand hours of operation which becomes unacceptable in terms of cost.

Objet et résumé de l'invention La présente invention a donc pour but principal de pallier de tels inconvénients en proposant une aube et une douille permettant d'obtenir un coefficient de frottement faible et une résistance à l'usure élevée. Ce but est atteint grâce à une aube à angle de calage variable pour compresseur de turbomachine, comportant une douille montée de façon rotative autour d'un pivot de guidage de l'aube destiné à être monté sur un carter de la turbomachine, et dans laquelle, conformément à l'invention, le contact rotatif entre la douille et le pied est du type nickel graphite / titane. La demanderesse a constaté que le graphite agit en tant que lubrifiant solide au cours d'un frottement continu, assurant ainsi un coefficient de frottement relativement faible, et que le frottement du graphite sur le titane entraîne la formation de carbure de titane sur les pics de rugosité assurant une grande résistance à l'usure entre la douille et le pivot de guidage de l'aube. Ainsi, la durée de vie des aubes, et notamment de leur pied, est augmentée. Plusieurs variantes de réalisation sont envisageables. Selon un mode de réalisation de l'invention, lorsque le pivot de guidage est constitué d'un matériau à base de titane, la douille est constituée d'un matériau à base de nickel et de graphite. Dans ce cas, la douille peut être obtenue par frittage d'une poudre à base de nickel et de graphite dans un moule.  OBJECT AND SUMMARY OF THE INVENTION The main purpose of the present invention is therefore to overcome such disadvantages by proposing a blade and a bushing making it possible to obtain a low coefficient of friction and a high resistance to wear. This object is achieved by means of a variable pitch angle blade for a turbomachine compressor, comprising a bushing rotatably mounted around a blade guide pivot intended to be mounted on a casing of the turbomachine, and in which according to the invention, the rotary contact between the socket and the foot is of the nickel graphite / titanium type. The Applicant has found that graphite acts as a solid lubricant during a continuous friction, thus ensuring a relatively low coefficient of friction, and that the friction of graphite on titanium causes the formation of titanium carbide on the peaks of roughness providing a high wear resistance between the bushing and the guide pivot of the blade. Thus, the life of the blades, including their feet, is increased. Several variants can be envisaged. According to one embodiment of the invention, when the guide pin is made of a titanium-based material, the sleeve is made of a material based on nickel and graphite. In this case, the sleeve can be obtained by sintering a nickel-based powder and graphite in a mold.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, lorsque le pivot de guidage n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, ledit pivot de guidage est recouvert d'un dépôt de nickel graphite et la douille est constituée d'un matériau à base de titane. Alternativement, toujours dans le cas d'un pivot de guidage qui n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, l'aube peut en outre comporter une frette métallique recouverte d'un dépôt de nickel graphite et frettée sur le pivot de guidage, la douille étant alors constituée d'un matériau à base de titane. Selon une autre alternative, toujours dans le cas d'un pivot de guidage qui n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, l'aube peut en outre comporter une frette constituée d'un matériau à base de nickel et de graphite et frettée sur le pivot de guidage, la douille étant alors constituée d'un matériau à base de titane. Quel que soit le mode de réalisation choisi, lorsqu'il s'agit d'un dépôt de nickel graphite, celui-ci peut être réalisé par projection 5 thermique d'une poudre à base de nickel et de graphite. L'invention a aussi pour objet un compresseur de turbomachine et une turbomachine comportant une pluralité d'aubes à angle de calage variable telles que définies précédemment.  According to another embodiment of the invention, when the guide pin is not made of a titanium-based metal material, said guide pin is covered with a deposit of nickel graphite and the sleeve consists of a titanium-based material. Alternatively, still in the case of a guide pin which is not made of a titanium-based metal material, the blade may further comprise a metal ferrule covered with a nickel graphite deposit and fretted on the guide pin, the sleeve then being made of a titanium-based material. According to another alternative, still in the case of a guide pin which is not made of a titanium-based metal material, the blade may further comprise a hoop made of a nickel-based material and of graphite and shrunk on the guide pin, the sleeve then being made of a titanium-based material. Whichever embodiment is chosen, in the case of a nickel graphite deposit, this can be achieved by thermal spraying of a nickel-graphite powder. The invention also relates to a turbomachine compressor and a turbomachine comprising a plurality of blades variable pitch angle as defined above.

10 Brève description des dessins D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif. Sur les figures : 15 - la figure 1 est une vue en coupe d'une aube à angle de calage variable selon l'invention ; et - la figure 2 est une vue partielle et en coupe d'une aube à angle de calage variable selon une variante de réalisation de l'invention.  BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Other features and advantages of the present invention will be apparent from the description given below, with reference to the accompanying drawings which illustrate an embodiment having no limiting character. In the figures: - Figure 1 is a sectional view of a variable pitch angle blade according to the invention; and - Figure 2 is a partial sectional view of a blade variable pitch angle according to an alternative embodiment of the invention.

20 Description détaillée de modes de réalisation En liaison avec la figure 1, les aubes 2 à angle de calage variable du compresseur haute-pression de la turbomachine sont réparties en étages circulaires disposés entre des étages d'aubes mobiles (non représentées) qui sont fixées sur un rotor (non représenté) de la 25 turbomachine. Chaque aube 2 à angle de calage variable d'un étage circulaire se présente sous la forme d'une pale 4 se terminant à une extrémité radiale externe (ou tête d'aube) par un pivot de commande 6 (ou pivot supérieur) et à une extrémité radiale interne (ou pied d'aube) par un pivot 30 de guidage 8 (ou pivot inférieur). Le pivot de commande 6 traverse une enveloppe 10 de stator de la turbomachine et coopère avec un organe de commande de l'orientation des aubes. A cet effet, le pivot de commande 6 se termine par une tête 12 sur laquelle est engagée une extrémité d'une bielle de 35 commande 14 dont l'autre extrémité coopère avec un anneau de commande 16.  DETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS In connection with FIG. 1, the variable-pitch angle blades 2 of the high-pressure compressor of the turbomachine are distributed in circular stages arranged between stages of moving blades (not shown) which are fixed on a rotor (not shown) of the turbomachine. Each blade 2 with variable pitch angle of a circular stage is in the form of a blade 4 ending at an outer radial end (or blade head) by a control pivot 6 (or upper pivot) and to an inner radial end (or blade root) by a guide pin 8 (or lower pivot). The control pivot 6 passes through a stator envelope 10 of the turbomachine and cooperates with a control member of the orientation of the blades. For this purpose, the control pivot 6 terminates in a head 12 on which is engaged one end of a control rod 14 whose other end cooperates with a control ring 16.

Les bielles 14 et l'anneau 16 de commande forment l'organe de commande de l'orientation des aubes. La rotation de l'anneau de commande 16 autour de l'axe de la turbomachine permet de faire tourner les bielles de commande 14 et ainsi de modifier simultanément l'orientation de toutes les aubes 2 à angle de calage variable d'un même étage du compresseur haute-pression. Le pivot de guidage 8 de l'aube est destiné à tourner à l'intérieur d'une douille creuse 18 sensiblement cylindrique formant support pivotant. Chaque douille 18 est logée dans un évidement 20 formé dans un anneau intérieur 22 du carter de la turbomachine, la douille et l'évidement étant de formes sensiblement complémentaires. Selon l'invention, le contact rotatif entre la douille 18 et le pivot de guidage 8 de l'aube est du type nickel graphite / titane. Dans les conditions d'utilisation d'un contact rotatif continu entre la douille et le pivot de guidage, le couple nickel graphite / titane présente d'extraordinaires performances par sa grande résistance à l'usure et son faible coefficient de frottement. En effet, le contact rotatif entre la douille et le pivot de guidage passe par une période de rodage qui se caractérise par un frottement initial entre les pics d'aspérité des surfaces NiGr et Ti. Ce frottement entraîne un échauffement local très élevé, notamment pour le titane (qui possède un faible coefficient de conductivité de la chaleur). La température très élevée du titane associée au NiGr conduit alors à la formation de carbure de titane (TiC) qui se dépose sur les surfaces de contact entre la douille et le pivot de guidage et assure ainsi une dureté localement élevée qui limite l'usure des surfaces en contact. Des essais comparatifs ont été réalisés pour différents couples dans les mêmes conditions de frottement et pour la même durée. Le tableau ci-dessous résume les résultats obtenus (l'unité de mesure de l'usure observée est arbitraire). Usure NiGr Usure antagoniste Couple NiGr/Waspalloy 0,9 1 Coupe NiGr/Ta6V 0,1 0,1 Le Waspalloy utilisé dans le premier couple de cet essai est un alliage connu à base de nickel. Quant au titane TA6V utilisé dans le couple du second test, il s'agit d'un alliage connu à base de titane et comportant de l'aluminium et du vanadium. De ces essais, on constate donc que les surfaces en contact de la douille et du pivot de guidage de l'aube sont très faiblement usées (de 9 à 10 fois moins usées que pour le couple NiGr / Waspalloy ). Plusieurs mises en oeuvre d'un tel couple nickel graphite / titane sont envisageables pour l'invention selon le matériau utilisé pour la réalisation de l'aube et de son pivot de guidage. Ainsi, lorsque le pivot de guidage 8 de l'aube est constitué d'un 10 matériau à base de titane, la douille 18 est, conformément à l'invention, constituée d'un matériau à base de nickel et de graphite. Dans ce mode de réalisation, la douille peut être obtenue par frittage d'une poudre à base de nickel et de graphite dans un moule. Ce procédé, appelé Metal Injection Molding (MIM), consiste à injecter une 15 poudre à base de nickel et de graphite associée à un liant organique dans un moule, puis à éliminer chimiquement le liant organique lorsque la douille est formée. Lorsque le pivot de guidage 8 de l'aube n'est pas constitué d'un matériau à base de titane (par exemple parce qu'il est réalisé dans un 20 alliage à base d'acier), le pivot de guidage peut être recouvert, conformément à l'invention, d'un dépôt de nickel graphite, la douille 18 étant alors constituée d'un matériau à base de titane. Le dépôt de nickel graphite sur le pivot de guidage de l'aube peut être réalisé par projection thermique d'une poudre à base de nickel 25 et de graphite. Selon une alternative représentée sur la figure 2, toujours dans le cas d'un pivot de guidage 8 qui n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, l'aube selon l'invention comporte en outre une frette métallique 24 qui est recouverte d'un dépôt de nickel graphite et 30 frettée sur le pivot de guidage, la douille 18 étant alors constituée d'un matériau à base de titane. Dans ce mode de réalisation, le dépôt de nickel graphite sur la frette 24 de l'aube peut être réalisé par projection thermique d'une poudre à base de nickel et de graphite. 35 Selon encore une alternative non représentée sur les figures, toujours dans le cas d'un pivot de guidage qui n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, l'aube selon l'invention comporte en outre une frette qui est constituée d'un matériau à base de nickel et de graphite et qui est frettée sur le pivot de guidage, la douille étant alors constituée d'un matériau à base de titane.  The rods 14 and the control ring 16 form the control member of the orientation of the blades. The rotation of the control ring 16 around the axis of the turbomachine makes it possible to turn the control rods 14 and thus simultaneously modify the orientation of all the blades 2 with variable pitch angle of the same stage of the high-pressure compressor. The guide pivot 8 of the blade is intended to rotate inside a substantially cylindrical hollow sleeve 18 forming pivoting support. Each bushing 18 is housed in a recess 20 formed in an inner ring 22 of the casing of the turbomachine, the bushing and the recess being of substantially complementary shapes. According to the invention, the rotary contact between the sleeve 18 and the guide pivot 8 of the blade is of the nickel graphite / titanium type. Under the conditions of use of a continuous rotary contact between the bushing and the guide pin, the nickel graphite / titanium pair has extraordinary performance due to its high wear resistance and low coefficient of friction. Indeed, the rotational contact between the bushing and the guide pin passes through a break-in period which is characterized by an initial friction between the roughness peaks of NiGr and Ti surfaces. This friction causes a very high local heating, especially for titanium (which has a low coefficient of conductivity of heat). The very high temperature of titanium associated with NiGr then leads to the formation of titanium carbide (TiC) which is deposited on the contact surfaces between the sleeve and the guide pin and thus ensures a high local hardness which limits the wear of surfaces in contact. Comparative tests were carried out for different pairs under the same conditions of friction and for the same duration. The table below summarizes the results obtained (the unit of measurement of observed wear is arbitrary). NiGr wear Antagonistic wear NiGr / Waspalloy torque 0.9 1 NiGr / Ta6V cut 0.1 0.1 The Waspalloy used in the first pair of this test is a known alloy based on nickel. As for the TA6V titanium used in the second test pair, it is a known alloy based on titanium and comprising aluminum and vanadium. From these tests, it can be seen that the contacting surfaces of the sleeve and the guide pivot of the blade are very slightly worn (9 to 10 times less worn than for the NiGr / Waspalloy pair). Several implementations of such a pair nickel graphite / titanium are possible for the invention according to the material used for producing the blade and its guide pin. Thus, when the guide pin 8 of the blade is made of a titanium-based material, the sleeve 18 is, in accordance with the invention, made of a material based on nickel and graphite. In this embodiment, the socket can be obtained by sintering a nickel-graphite powder in a mold. This method, called Metal Injection Molding (MIM), involves injecting a nickel-graphite powder associated with an organic binder into a mold, and then chemically removing the organic binder when the bushing is formed. When the guide pin 8 of the blade is not made of a titanium-based material (for example because it is made of a steel-based alloy), the guide pin can be covered according to the invention, a graphite nickel deposit, the sleeve 18 then being made of a titanium-based material. The deposition of graphite nickel on the blade guide pin can be achieved by thermal spraying a nickel-based powder and graphite. According to an alternative shown in FIG. 2, again in the case of a guide pin 8 which is not made of a titanium-based metal material, the blade according to the invention furthermore comprises a metallic hoop 24 which is covered with a nickel graphite deposit and shrunk on the guide pin, the sleeve 18 then being made of a titanium-based material. In this embodiment, the deposition of nickel graphite on the hoop 24 of the blade can be achieved by thermal spraying a powder based on nickel and graphite. According to another alternative not shown in the figures, again in the case of a guide pin which is not made of a titanium-based metal material, the blade according to the invention further comprises a hoop which is made of a material based on nickel and graphite and which is hooped on the guide pin, the sleeve then being made of a titanium-based material.

Dans ce cas, la frette est avantageusement obtenue par frittage d'une poudre à base de nickel et de graphite dans un moule selon le procédé MIM précédemment décrit.  In this case, the hoop is advantageously obtained by sintering a powder based on nickel and graphite in a mold according to the MIM method described above.

Claims (10)

REVENDICATIONS 1. Aube à angle de calage variable pour compresseur de turbomachine, comportant une douille (18) montée de façon rotative autour d'un pivot de guidage (8) de l'aube destiné à être monté sur un carter (22) de la turbomachine, caractérisée en ce que le contact rotatif entre la douille (18) et le pivot de guidage (8) est du type nickel graphite / titane.  1. Variable pitch angle blade for turbomachine compressor, comprising a sleeve (18) rotatably mounted around a guide pivot (8) of the blade for mounting on a housing (22) of the turbomachine characterized in that the rotary contact between the sleeve (18) and the guide pin (8) is of the graphite nickel / titanium type. 2. Aube selon la revendication 1, dans laquelle le pivot de guidage (8) est constitué d'un matériau à base de titane, caractérisée en ce que la douille (18) est constituée d'un matériau à base de nickel et de graphite.  2. blade according to claim 1, wherein the guide pin (8) is made of a titanium-based material, characterized in that the sleeve (18) consists of a material based on nickel and graphite . 3. Aube selon la revendication 2, dans laquelle la douille (18) est obtenue par frittage d'une poudre à base de nickel et de graphite dans un moule.  3. A blade according to claim 2, wherein the sleeve (18) is obtained by sintering a nickel-graphite powder in a mold. 4. Aube selon la revendication 1, dans laquelle le pivot de guidage (8) n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, caractérisée en ce que ledit pivot de guidage est recouvert d'un dépôt de nickel graphite et la douille (18) est constituée d'un matériau à base de titane.  4. blade according to claim 1, wherein the guide pin (8) is not made of a titanium-based metal material, characterized in that said guide pin is covered with a deposit of nickel graphite and the sleeve (18) consists of a titanium-based material. 5. Aube selon la revendication 1, dans laquelle le pivot de guidage (8) n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, caractérisée en ce que l'aube comporte en outre une frette (24) métallique recouverte d'un dépôt de nickel graphite et frettée sur le pivot de guidage, la douille (18) étant constituée d'un matériau à base de titane.  5. blade according to claim 1, wherein the guide pin (8) is not made of a titanium-based metal material, characterized in that the blade further comprises a ferret (24) coated with metal a nickel graphite deposit and shrunk on the guide pin, the sleeve (18) being made of a titanium-based material. 6. Aube selon la revendication 1, dans laquelle le pivot de guidage (8) n'est pas constitué d'un matériau métallique à base de titane, caractérisée en ce que l'aube comporte en outre une frette constituée d'un matériau à base de nickel et de graphite et frettée sur le pivot de guidage, la douille (18) étant constituée d'un matériau à base de titane.  6. blade according to claim 1, wherein the guide pin (8) is not made of a titanium-based metal material, characterized in that the blade further comprises a hoop consisting of a material to base of nickel and graphite and shrunk on the guide pin, the sleeve (18) being made of a titanium-based material. 7. Aube selon la revendication 6, caractérisée en ce que la frette est obtenue par frittage d'une poudre à base de nickel et de graphite dans un moule.  7. blade according to claim 6, characterized in that the hoop is obtained by sintering a powder based on nickel and graphite in a mold. 8. Aube selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisée en ce que le dépôt de nickel graphite est réalisé par projection thermique d'une poudre à base de nickel et de graphite.  8. blade according to one of claims 4 and 5, characterized in that the deposition of nickel graphite is made by thermal spraying a powder based on nickel and graphite. 9. Compresseur de turbomachine caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité d'aubes (2) à angle de calage variable selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.  9. A turbomachine compressor characterized in that it comprises a plurality of vanes (2) variable pitch angle according to any one of claims 1 to 8. 10. Turbomachine caractérisée en ce qu'elle comporte une pluralité d'aubes (2) à angle de calage variable selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.  10. Turbomachine characterized in that it comprises a plurality of blades (2) variable pitch angle according to any one of claims 1 to 8.
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